談航天器靜電放電標(biāo)準(zhǔn)

賈瑞金 李斌 沈自才

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京，100094）

航天器在軌運(yùn)行期間將面臨多種空間環(huán)境要素，這些空間環(huán)境要素與航天器相互作用，在航天器材料和電子元器件上產(chǎn)生各種空間環(huán)境效應(yīng)，進(jìn)而引發(fā)在軌故障甚至失敗。其中，靜電放電引起的故障發(fā)生次數(shù)居于前列。為保障航天器在軌運(yùn)行中的可靠性，在航天器的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、飛行及返回等過程中，需要充分考慮靜電放電效應(yīng)對(duì)航天器的影響，來提高航天器的環(huán)境耐受性和在軌穩(wěn)定性。

以美國(guó)NASA和歐空局為代表的國(guó)外航天機(jī)構(gòu)很早就發(fā)現(xiàn)了靜電放電對(duì)航天器的威脅，從上世紀(jì)六、七十年代就開始了靜電放電效應(yīng)的研究，從大量飛行試驗(yàn)中獲取了各種環(huán)境參數(shù)和表面帶電對(duì)星上儀器的影響情況，進(jìn)而開展抗靜電設(shè)計(jì)與加固技術(shù)研究。同時(shí)，這些航天機(jī)構(gòu)也建立了相對(duì)完善的航天器靜電放電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，為設(shè)計(jì)師進(jìn)行航天器的帶電防護(hù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供支持。

我國(guó)對(duì)航天器靜電放電效應(yīng)的研究雖然較晚，但是在借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，也探索出了一系列抗靜電的行之有效的方法，并逐步制定了相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但國(guó)家層面或行業(yè)層面的靜電放電試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范和相關(guān)的空間環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范依然缺乏。本文對(duì)航天器靜電放電效應(yīng)機(jī)理、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀作一簡(jiǎn)介，并對(duì)未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 航天器靜電放電效應(yīng)與抗靜電加固

航天器靜電放電效應(yīng)是指航天器與空間等離子體和高能電子等環(huán)境相互作用而發(fā)生的靜電電荷積累及泄放過程，分為表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)。

1.1 表面充放電效應(yīng)

表面充放電效應(yīng)是由航天器表面與空間環(huán)境相互作用引起的，它是電荷在航天器表面材料中積累和泄放的過程。航天器在軌運(yùn)行處于低能等離子體環(huán)境的包圍之中，這種環(huán)境與航天器的表面材料相互作用，使航天器表面積累電荷導(dǎo)致表面充電。航天器表面之間、表面與深層之間、表面與航天器接地之間由于表面材料的介電性能、幾何形狀等因素不同會(huì)產(chǎn)生表面電位差，當(dāng)這個(gè)電位差達(dá)到放電閾值時(shí)，會(huì)引發(fā)航天器發(fā)生靜電放電現(xiàn)象[1]，產(chǎn)生電磁干擾、表面污染等。如果發(fā)生靜電放電的位置有外露的，比如太陽帆板等功率部件，還可能會(huì)產(chǎn)生二次電弧并造成更大的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至威脅航天器安全或引起各種在軌異常。

1.2 內(nèi)帶電效應(yīng)

內(nèi)帶電效應(yīng)是與表面充電效應(yīng)相區(qū)別的另一種由空間高能粒子輻射引起的充電效應(yīng)。它是指穿過航天器表面的空間高能帶電粒子 （這些高能電子的能量主要位于0.1MeV～7MeV范圍內(nèi)，具有很強(qiáng)的穿透能力），在航天器構(gòu)件的電介質(zhì)材料內(nèi)部傳輸并沉積從而建立電場(chǎng)的過程。當(dāng)介質(zhì)深層充電產(chǎn)生的電場(chǎng)超過介質(zhì)材料的擊穿閾值時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電，放電所產(chǎn)生的電磁脈沖會(huì)干擾甚至破壞星內(nèi)電子系統(tǒng)的正常工作，尤其是屏蔽比較差的電纜、印制電路板和熱防護(hù)層特別容易遭到損壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致整機(jī)失效[2]。內(nèi)帶電效應(yīng)主要發(fā)生在中高軌道，近年來的多次航天器在軌故障被歸為內(nèi)帶電效應(yīng)所致。

1.3 抗靜電加固技術(shù)

為抵制在軌運(yùn)行期間惡劣環(huán)境對(duì)航天器材料、元器件、分系統(tǒng)等的影響，需要對(duì)其進(jìn)行抗靜電加固。

表面放電效應(yīng)加固設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則是控制表面材料接地，使航天產(chǎn)品表面電位處于安全范圍內(nèi)，它的指導(dǎo)原則是選擇具有良好導(dǎo)電性能的材料并確保表面材料良好接地，這也是開展表面放電效應(yīng)加固設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)出發(fā)點(diǎn)。因此它的設(shè)計(jì)重點(diǎn)包括：表面材料控制、接地要求和電容要求。

內(nèi)帶電效應(yīng)加固設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則則是是通過開展深層充放電防護(hù)設(shè)計(jì)，盡可能減少放電發(fā)生；但是當(dāng)放電不可避免發(fā)生時(shí)，要盡可能減小放電帶來的危害。因此內(nèi)帶電效應(yīng)加固設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：通過屏蔽措施減小沉積電流、限制絕緣材料內(nèi)部或孤立導(dǎo)體與局域接地之間的電場(chǎng)以及盡可能選擇電導(dǎo)率大的材料。

2 國(guó)內(nèi)外航天器靜電放電標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

隨著航天器技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)壽命、高可靠成為未來航天器需要具備的基本能力。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和航天大國(guó)紛紛制定了一系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)靜電放電的威脅和防護(hù)設(shè)計(jì)給出了很好的闡述，以指導(dǎo)航天器的設(shè)計(jì)和地面試驗(yàn)。這些標(biāo)準(zhǔn)主要是圍繞航天器的抗靜電加固而制定的，可以很好地解決靜電放電造成的材料、元器件、組件和單機(jī)的失效或損壞等問題。半個(gè)多世紀(jì)以來的航天實(shí)踐活動(dòng)表明，有關(guān)航天器靜電放電標(biāo)準(zhǔn) （或規(guī)范）已經(jīng)在航天器設(shè)計(jì)和運(yùn)行中發(fā)揮了重要的作用。

2.1 國(guó)外航天器靜電放電標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)NASA自1984年發(fā)布了NASATP-2361《航天器帶電效應(yīng)評(píng)估及控制設(shè)計(jì)指南》，該文件一直是高地球軌道 （GEO）航天器帶電分析和防護(hù)設(shè)計(jì)的權(quán)威文獻(xiàn)，在GEO航天器帶電分析和防護(hù)設(shè)計(jì)中起到重要作用。在2007年，NASA發(fā)布了 NASA-STD-4005《低地球軌道 （LEO）航天器帶電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，提供了在LEO等離子體環(huán)境中必須使用的高壓空間能源系統(tǒng) （＞55V）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，隨后又發(fā)布了NASA-HDBK-4006《低地球軌道航天器帶電設(shè)計(jì)手冊(cè)》，對(duì)LEO航天器的帶電給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，為NASASTD-4005提供了指導(dǎo)。在2011年，NASA發(fā)布了NASA-HDBK-4002A《航天器帶電效應(yīng)防護(hù)指南》，成為目前美國(guó)航天器帶電防護(hù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

ESA制定的ECSS-E-ST-20-06C《空間工程-航天器帶電》是歐洲對(duì)于航天器帶電效應(yīng)的設(shè)計(jì)、防護(hù)、測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。ESA又先后發(fā)布了空間靜電放電敏感度試驗(yàn)方法和航天系統(tǒng)靜電行為的環(huán)境誘導(dǎo)效應(yīng)等的標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范，對(duì)空間靜電放電敏感度試驗(yàn)如何開展和空間靜電效應(yīng)進(jìn)行了闡述。

日本JAXA制定了JERG-2-211A《帶電·放電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)參考ECSS-E-ST-20-06C，對(duì)表面帶電仿真分析與防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)定。另外，由日本牽頭起草的ISO11221《空間系統(tǒng)-太陽帆板-航天器帶電誘發(fā)的靜電放電測(cè)試方法》，其附錄中對(duì)表面帶電計(jì)算進(jìn)行了說明，并給出了進(jìn)行表面帶電效應(yīng)計(jì)算的軟件示例。

這些標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容代表了國(guó)際上目前充放電試驗(yàn)的先進(jìn)水平，都能較好的用于航天器的設(shè)計(jì)與研制。

2.2 國(guó)內(nèi)航天器靜電放電標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)與航天器靜電相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大多是針對(duì)電子元件級(jí)別和電子產(chǎn)品制定了靜電防護(hù)要求及靜電放電相關(guān)因素的測(cè)試方法，這些標(biāo)準(zhǔn)主要集中在電子元器件和單機(jī)產(chǎn)品方面的靜電防護(hù)，還有一些靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是通用性的靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：GB/T1410-2006《固體絕緣材料體積電阻率和表面電阻率試驗(yàn)方法》、GB/T17626.2-2018《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》、GB/T32304-2015《航天電子產(chǎn)品靜電防護(hù)要求》GJB1649-1993《電子產(chǎn)品防靜電放電控制大綱》、QJ1693-1989《電子元器件防靜電要求》等。

與航天器充放電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB/T 15463-2018《靜電安全術(shù)語》、GJB2502.7-2015《航天器熱控涂層試驗(yàn)方法 第7部分：真空-電子輻照試驗(yàn)》、GB/T32452-2015《航天器空間環(huán)境術(shù)語》、QJ20409-2016《航天器表面材料充放電特性參數(shù)測(cè)試方法》和QJ20422.1-2016《航天器組件環(huán)境試驗(yàn)方法 第1部分：表面充放電試驗(yàn)》。另外，還有一些企業(yè)級(jí)及以下標(biāo)準(zhǔn)，比如航天五院的院標(biāo) 《衛(wèi)星表面放電效應(yīng)試驗(yàn)方法》、 《高軌航天器表面充放電防護(hù)設(shè)計(jì)指南》、《航天器組件環(huán)境試驗(yàn)方法 第8部分：磁層亞暴環(huán)境表面充放電試驗(yàn)》和511所的所標(biāo) 《航天器太陽電池陣靜電放電試驗(yàn)方法》、 《航天器表面帶電效應(yīng)仿真分析要求》、 《航天器表面帶電效應(yīng)仿真分析方法》等。

由于航天器表面充放電問題是航天器在軌異常的主要原因之一，航天器在軌早期階段發(fā)生靜電放電進(jìn)而失效的案例屢見不鮮。國(guó)外較早對(duì)航天器靜電充放電效應(yīng)開展了研究，并根據(jù)研究成果形成了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以指導(dǎo)航天器抗靜電設(shè)計(jì)。我國(guó)與國(guó)外航天大國(guó)和機(jī)構(gòu)相比起步較晚，國(guó)內(nèi)在航天器靜電放電效應(yīng)方面的研究始于上世紀(jì)80年代中期，首先開展衛(wèi)星充放電試驗(yàn)研究的單位主要是五院511所、510所以及中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，在靜電放電效應(yīng)機(jī)理、仿真分析與地面試驗(yàn)研究中也取得了不少成果[3]。特別是511所在國(guó)內(nèi)首次突破了復(fù)雜邊界條件下任意構(gòu)型介質(zhì)內(nèi)帶電三維仿真方法，開發(fā)了內(nèi)帶電仿真分析軟件ATICS（Assessment ToolofInternalChargingforSatellite）并應(yīng)用于型號(hào)，受到好評(píng)。雖然我國(guó)在靜電放電效應(yīng)研究中取得了一定的成績(jī)，但是在標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范方面仍然匱乏，尚無相關(guān)的頂層標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。在研究中，我國(guó)通常借鑒國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，但其中關(guān)鍵指標(biāo)的適應(yīng)性有待研究。

3 未來展望

航天器在軌充放電效應(yīng)引起的故障和損壞已經(jīng)成為導(dǎo)致航天器在軌故障和損壞的主要原因之一，目前國(guó)內(nèi)還沒有關(guān)于航天器靜電放電防護(hù)設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在航天器設(shè)計(jì)、地面模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)、在軌故障分析以及在軌預(yù)報(bào)預(yù)警過程中，各單位根據(jù)自己的理解來開展工作，缺乏統(tǒng)一的參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來進(jìn)行約束，宇航材料空間環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也相對(duì)匱乏。

在未來航天器抗靜電方面，除加強(qiáng)航天器靜電放電效應(yīng)的機(jī)理、試驗(yàn)與評(píng)價(jià)技術(shù)等研究和工作之外，制修訂航天器靜電放電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范刻不容緩。一是完善航天器靜電放電來源相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，在現(xiàn)有航天器靜電放電相關(guān)的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的基礎(chǔ)上，制定太陽宇宙射線、銀河宇宙射線、空間等離子體的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，修訂太陽電磁輻射、地球輻射帶等標(biāo)準(zhǔn)。二是借鑒NASA、ESA及日本的一些防護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及效應(yīng)評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)，完善我國(guó)航天器表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范；建立航天器表面充放電效應(yīng)和內(nèi)帶電效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及通用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，在設(shè)計(jì)階段就充分的進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保空間材料在無法充分應(yīng)用防靜電設(shè)計(jì)的前提下能夠適應(yīng)其空間環(huán)境。

511所具有大型地磁亞暴充放電試驗(yàn)設(shè)備、1.2m表面充放電設(shè)備、等離子體充放電設(shè)備等一系列空間充放電環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，參與了多項(xiàng)衛(wèi)星型號(hào)放電驗(yàn)證試驗(yàn)工作。擁有一批長(zhǎng)期從事航天器帶電效應(yīng)分析及研究的專家和技術(shù)人員，與國(guó)際上具備先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)的單位 （如日本KIT，法國(guó)ONERA等）就靜電放電試驗(yàn)進(jìn)行過多次交流。自 “十一五”以來，511所在航天器靜電放電方面的研究陸續(xù)得到國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目、技術(shù)基礎(chǔ)項(xiàng)目、型號(hào)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、國(guó)防973等的支持，并擁有1套軟件著作權(quán)及相應(yīng)專利，其成果在對(duì)尼星、巴星等型號(hào)關(guān)鍵部件的內(nèi)帶電效應(yīng)進(jìn)行了多次分析評(píng)估，取得了較好的效果。近年來，511所主導(dǎo)和參與編寫了多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，包括 《航天器空間環(huán)境術(shù)語》、 《航天器熱控涂層試驗(yàn)方法 第7部分：真空-電子輻照試驗(yàn)》及 《航天器組件環(huán)境試驗(yàn)方法 第1部分：表面充放電試驗(yàn)》等，具備編寫相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的能力。未來將不斷深化理論上、方法上和應(yīng)用上的研究，在建立靜電放電相關(guān)的環(huán)境國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)相關(guān)的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中貢獻(xiàn)一份力量。